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新材料學院在高效率、穩定的鈣鈦礦太陽能電池有機界面材料機理研究方面取得進展
日期:2020-07-21 21:20:09 來源:新材料學院 點擊:
  近日,新材料學院孟鴻教授課題組在國際知名期刊《先進功能材料》(Adv. Funct. Mater. DOI:10.1002/adfm.202000837)上發表了題為:“Gaining Insight into the Effect of Organic Interface Layer on Suppressing Ion Migration Induced Interfacial Degradation in Perovskite Solar Cells”的研究論文,對有機界面材料抑制鈣鈦礦太陽能電池性能退化的機理進行了系統性的研究。
圖1 基於NDI-BN的倒置型鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖,以及使用/未使用NDI-BN界面層的器件放置1000小時的J-V曲線對比。
           
  近年來,鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的效率屢破新高,被認為是最有可能從實驗室走向實際應用的光電轉換技術之一。然而鈣鈦礦太陽能電池的穩定性是其實現產業化的最大阻礙,在影響PSCs穩定性的眾多因素中,離子遷移引起的界面退化會加速鈣鈦礦層的降解,造成電極腐蝕,影響界面接觸,從而導致PSCs效率及穩定性的降低。因此亟需對界面進行改性,經過多年來的研究,使用有機界面材料的PSCs取得了較高的效率,但是隻有很少的報道提到了其提升穩定性的作用,而且都是關於有機分子的疏水性阻礙水分滲透對猜測,背後的機理尚未得到解釋,例如,有機界面材料是如何影響離子遷移引起的界面退化的?什麼樣的有機界面材料可以起到抑制界面退化從而提升穩定性的作用?      
  北京大學深圳研究生院孟鴻課題組合成了一種萘酰亞胺基三齒含氮螯合物NDI-BN,作為有機陰極界面材料在倒置型結構中取得了最高21.32%的效率,其中Voc=1.13 V,Jsc=23.61 mA/cm2,FF=79.93 %。作者研究了未封裝器件放置於30%濕度和20攝氏度的條件下的穩定性,發現1000小時後不含NDI-BN的器件出現了與界面退化相關的明顯的“S”型J-V曲線,相反使用NDI-BN的器件未出現“S”型曲線並可以保持75 %的初始效率。為了系統地研究NDI-BN對界面退化的影響,作者首先通過XPS測試追蹤該界面處的碘離子,提供了使用NDI-BN作為界面層可以有效地抑制碘離子擴散的直接證據,證實了NDI-BN改善界面退化的原因是抑制了離子的擴散,更進一步,作者從分子層面比較了PC61BM與NDI-BN排列模式的差異,球狀的PC61BM分子之間形成的空隙形成了離子擴散的通道,相反,NDI-BN分子之間通過π–π堆積形成了緊密的face-to-edge交錯排列模式,從而切斷了離子繼續向電極擴散的路徑。同時,通過理論計算,模擬了鈣鈦礦降解產物(MAI)2分別與PC61BM分子簇和NDI-BN分子簇的結合能,發現NDI-BN分子有更大的結合能,説明(MAI)2進入NDI-BN分子簇需要更高的能量,揭示了NDI-BN分子阻擋離子擴散的內在機理。
  基於這項研究的發現,作者展望了具有強物理相互作用力形成的緊密有序排列的有機界面材料,可以用於獲得高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池,為有機界面材料的分子設計提供了新思路。相關論文近日發表在Advanced Functional Materials (10.1002/adfm.202000837)上,第一作者為新材料學院博士研究生寧皎邑,助理研究員繆景生和孟鴻教授為該論文的共同通訊作者。
專題報道
2019
11月
25
2019-11-25376
梁威,北京大學深圳研究生院信息工程學院2006級電子通訊工程碩士。2009年畢業後回長沙創辦博為軟件技術股份有限公司(下稱“博為軟件”)。現為博為軟件董事長,博為101數據採集引擎研發創始人,廣州大學華軟學院客座教授、創新創業導師。
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